Взрывы сверхновых ранее воспринимались как катастрофические события, вызванные коллапсом ядра, распространяющимся во все стороны одновременно. Новое исследование предложило другую интерпретацию: катастрофа происходила быстро, ярко, но асимметрично.
Около 11 300 лет назад массивная звезда находилась на грани аннигиляции. Она излучала энергию, выбрасывая свои внешние слои в космос. В конечном итоге она взорвалась как сверхновая, и ее остаток стал одним из наиболее тщательно исследованных остатков сверхновой (Supernova Remnant, сокращенно SNR). Этот остаток получил название Кассиопея A (Cas A), и новые данные, полученные с помощью рентгеновского телескопа «Чандра», раскрывают дополнительные детали о ее трагической судьбе.
Предшественник Cas A имел массу от 15 до 20 солнечных масс, хотя по некоторым оценкам мог достигать и 30M☉. Скорее всего, это был красный сверхгигант, хотя до сих пор ведутся споры о его природе и о том, как он стал сверхновой. Некоторые астрофизики предполагают, что это могла быть парная звезда Вольфа-Райе. В любом случае, в конечном итоге она взорвалась как сверхновая из-за коллапса своего тяжелого железного ядра. Свет от взрыва, предвестника гибели Cas A, достиг Земли примерно в 1660-х годах.
Нет точной информации о том, кто из людей мог наблюдать взрыв сверхновой в небе. Возможно, его зафиксировал англичанин Джон Флемстид, который 16 августа 1680 года сделал запись о яркой звезде, до этого не наблюдаемой. Но в современности астрономы детально изучили излучение SNR Cas A на различных длинах волн.
Новое исследование, опубликованное в Astrophysical Journal, анализирует последние наблюдения телескопа Chandra. Статья называется «Неоднородность звезд в последние часы перед вспышкой сверхновой на примере Кассиопеи А». Ведущий автор — Тошики Сато из Университета Мэйдзи в Японии. Ученые совместили данные рентгеновского телескопа «Чандра» с мощными компьютерными моделями и обнаружили нечто необычное.
Одна из проблем, связанных с исследованием сверхновых, заключается в том, что наблюдения начинаются именно после их взрывов. Если бы не этот взрыв, то о достаточно удаленной звезде, даже красном гиганте, могли бы и не узнать. Также крайне сложно получить детальное представление о последних секундах, минутах и часах перед взрывом сверхновой.
В последние годы исследователи уделили значительное внимание завершающим внутренним процессам в массивных звездах, поскольку они могут играть важную роль в понимании механизмов возникновения сверхновых, генерации нейтрино и других потенциальных переходных процессов, связанных с коллапсом массивных звезд. Однако непосредственное наблюдение за последними часами жизни массивной звезды перед взрывом представляет собой сложную задачу, так как именно взрыв сверхновой инициирует интенсивные наблюдения. Его можно предсказать, но определить точное время катастрофы наука пока не в силах.
Процесс, предшествующий взрыву массивной звезды, включает в себя нуклеосинтез все более тяжелых элементов в ее недрах. Поверхностный слой состоит из водорода, затем следует гелий, углерод и более тяжелые элементы под внешними слоями.
В конечном итоге, в центре звезды образуется железо. Но здесь возникает противоречие — железо становится барьером для процесса ядерного синтеза. Энергии, выделяемой при слиянии более легких элементов, недостаточно для дальнейшего «производства» новых элементов. В ядре накапливается железо, и как только его масса достигает примерно 1,4M☉, внешнего давления становится недостаточно для предотвращения коллапса. Гравитация побеждает, ядро разрушается, и звезда взрывается.
Наблюдения Чандры в сочетании с моделированием позволяют астрофизикам заглянуть внутрь звезды в последние мгновения ее существования перед коллапсом.